研究人員模仿水和風(fēng)如何在自然界中創(chuàng)造復(fù)雜的形狀

星形沙丘或弧形巖石等錯(cuò)綜復(fù)雜的自然地貌在形式上顯得如此有目的性，以至于很容易懷疑是否有人設(shè)計(jì)了它們?？茖W(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，隨機(jī)和混亂能量場(chǎng)的特定組合可以產(chǎn)生這種遍布全球的獨(dú)特地層。然而，很少有人成功地復(fù)制大自然的觸感。

芬蘭阿爾托大學(xué)的研究人員現(xiàn)在找到了一種方法來(lái)模擬自然過(guò)程，借助振動(dòng)板和由此產(chǎn)生的能量場(chǎng)，創(chuàng)造復(fù)雜的形狀和景觀。結(jié)果于 2021 年 9 月 22 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

為了創(chuàng)造這種效果，該團(tuán)隊(duì)將多達(dá) 100 個(gè)微小金屬球顆粒(如焊接中常用的那些)分布在一塊 5x5 厘米的硅板上。攝像頭和智能算法使團(tuán)隊(duì)能夠跟蹤和操縱粒子成所需的形狀，如字母表中的字母，因?yàn)榘逭駝?dòng)，產(chǎn)生非線性能量場(chǎng)。

'我們使用相機(jī)來(lái)確定粒子的位置，算法會(huì)選擇最合適的振動(dòng)頻率來(lái)將粒子移動(dòng)到所需的方向。粒子根據(jù)振動(dòng)頻率以特定方向穿過(guò)板塊，而相同的頻率會(huì)導(dǎo)致板塊不同部分的運(yùn)動(dòng)方向大不相同，”領(lǐng)導(dǎo)研究小組的周泉教授解釋說(shuō)。

研究人員對(duì)智能算法能夠在不同頻率下預(yù)測(cè)粒子運(yùn)動(dòng)的能力感到驚訝，盡管它們的運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜。該算法有效地最小化了目標(biāo)形狀與板上實(shí)際顆粒分布之間的差異。

'粒子群的運(yùn)動(dòng)類似于自然現(xiàn)象，在自然現(xiàn)象中，自然材料是由風(fēng)和水的力量塑造的。該方法應(yīng)該適用于更小和更大的規(guī)模，并且可以在未來(lái)許多難以使用手或工具的應(yīng)用中使用，”博士候選人 Artur Kopitca 說(shuō)。

通常，制造具有特定形狀的產(chǎn)品需要模具或熟練的雙手。研究人員認(rèn)為，他們受大自然啟發(fā)的方法可用于醫(yī)學(xué)和生物科學(xué)研究中的細(xì)胞分選或作為工業(yè)生產(chǎn)方法。

然而，一個(gè)仍然懸而未決的關(guān)鍵問(wèn)題是可以控制多少粒子，以及如何將過(guò)程與具有類似動(dòng)態(tài)特性的其他系統(tǒng)(例如湍流)集成在一起。

周教授的研究小組此前曾研究過(guò)振動(dòng)板的特性以及它們?nèi)绾斡糜谝龑?dǎo)粒子沿著特定路線或朝向最終目的地。這是他們第一次嘗試通過(guò)模仿自然現(xiàn)象來(lái)創(chuàng)造形狀。

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